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Decadimenti rari osservati presso l’LHC

Sono previsti nuovi fenomeni nelle teorie che vanno oltre il Modello standard; questi sono stati ampiamente ricercati nell’ambito dei dati relativi agli esperimenti del Large Hadron Collider (LHC). Tale ricerca è stata spesso una sfida, ma ha anche portato alla prima osservazione del decadimento di Bs in mu+ mu-.
Decadimenti rari osservati presso l’LHC
Il decadimento del mesone Bs neutro in due muoni non è possibile a livello elementare. È possibile ottenere questo decadimento attraverso transizioni di ordine superiore. Tuttavia, il rapporto di ramificazione per il decadimento di Bs in mu+ mu- dovrebbe essere molto piccolo rispetto ad altre transizioni.

La principale prova di tale decadimento è stata trovata nei dati sperimentali del progetto LHCb. Risultati simili sono stati ottenuti mediante i dati raccolti dal rivelatore Compact Muon Solenoid (CMS). Nessuno dei singoli risultati vanta precisione sufficiente a costituire la prima osservazione definitiva del decadimento di Bs in due muoni.

Due insiemi di dati sono stati successivamente analizzati a livello simultaneo da un team di scienziati, guidati dal progetto PENGUIN (Search for new physics in electroweak penguin transitions at LHCb), finanziato dai fondi Marie Curie . Lo scopo era quello di sfruttare la potenza statistica dei due insiemi di dati combinati e spiegare le correlazioni tra loro.

Nel 1977, mentre Mary K. Gaillard, Mike Chanowitz e John Ellis scrivevano una tesi sulle teorie della grande unificazione allo scopo di predire la massa del quark b prima che venisse scoperto, giunsero al termine “pinguini” in riferimento ai diagrammi di Feynman. La ragione per tale termine è legata al fatto che questi famosi schemi, relazionati anche al decadimento di Bs in mu+ mu-, sembrano dei pinguini.

Le collaborazioni tra CMS e LHCb hanno eseguito un’analisi congiunta dei dati per le collisioni protone-protone i quali sono stati raccolti nel 2011 e nel 2012, con un’energia del centro di massa di 7 e 8 teraelettronvolt. Hanno ottenuto prove per il decadimento di Bs in mu+ mu- con una significatività statistica di tre deviazioni standard.

Gli scienziati hanno combinato i due insiemi di dati inserendo un valore comune in relazione a ciascun rapporto di ramificazione inerente ai dati dei due esperimenti. Le frazioni di ramificazione sono state determinate dai numeri osservati in quanto a mesoni Bs che decadono in due muoni, e dal numero totale di mesoni Bs prodotti.

L’adattamento simultaneo di entrambi i dati relativi a CMS e LHCb ha tratto vantaggio dal campione di dati più vasto per aumentare la precisione, spiegando correttamente le correlazioni. In questo modo, gli scienziati hanno appurato l’esistenza del decadimento di Bs in mu+ mu- e ottenuto le migliori misurazioni finora svolte in quanto a rapporti di ramificazione.

Gli entusiasmanti risultati sono stati pubblicati nella rivista Nature.

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Keywords

Decadimenti rari, LHC, modello standard, mesoni Bs, muoni, LHCb, PENGUIN